Potlačovač šumu pro magnetofony
Audio Noise Reduction System

Jednoduchý potlačovač šumu (ANRS – Automatic Noise Reduction System, obecně jakýkoli systém pro potlačení šumu) pro magnetofony, který je zde popsán, používám dodnes ve svém magnetofonu. Přes svoji jednoduchost dosahuje velmi dobrého potlačení šumu, srovnatelného se systémem Dolby B a Dolby C. Potlačovač využívá princip, který byl v AR již několikrát popsán [1] a [2]. V těchto případech se však jednalo o širokopásmový kompandér.

Zapojení obsahuje speciální optočlen, sestavený z fotorezistoru a svítivé diody. Použitím tohoto nepříliš běžného prvku lze zapojení značně zjednodušit. Řídicí část kompandéru je galvanicky oddělena od části signálové. Do signálové části proto nemohou pronikat zbytky stejnosměrného řídicího napětí a naopak odpor řídicího prvku není ovlivňován procházejícím signálem. Řídíme-li zesílení polovodičovými prvky, bude signál na nelinearitách polovodičového přechodu p-n (dioda, tranzistor) vždy zkreslován. U tranzistoru MOSFET se mění odpor kanálu tranzistoru v závislosti na okamžité amplitudě signálu. Tyto problémy při použití fotorezistoru zcela odpadají. Změna odporu fotorezistoru v závislosti na připojeném napětí je při signálech, při nichž se systém neotepluje, zcela zanedbatelná.

Použití takového optočlenu má i své nevýhody. Některé typy fotorezistorů mají nevyhovující dynamické vlastnosti, zjednodušeně řečeno jsou příliš „pomalé”. Odpor fotorezistoru je závislý nejen na osvětlení, ale i na teplotě. Při použití v běžných domácích podmínkách s relativně stálou teplotou můžeme naštěstí tuto závislost zanedbat. K nevýhodám lze zařadit i pracnější výrobu a nastavení takového optočlenu.

Obr. 1. Zapojení kompandéru při záznamu
Fig. 1. Record topology

Obr. 2. Zapojení kompandéru při přehrávání
Fig. 2. Playback topology

Zjednodušené zapojení pro záznam je na obr. 1, pro reprodukci na obr. 2. V podstatě se jedná o invertující zesilovač, jehož zesílení je závislé na síle signálu. Zesílení se řídí již zmíněným optočlenem. Při záznamu (obr. 1) procházejí obvodem nízké kmitočty beze změny, zesílení je nastaveno na 1 (přesněji -1) poměrem odporů Rb. Pro signály vysokých kmitočtů se uplatňuje také větev s Ra, C a Rf, C. Signál z výstupu obvodu prochází přes filtr, který potlačí nízké kmitočty, na lineární usměrňovač. Proud svítivou diodou optočlenu je přímo úměrný napětí na výstupu optočlenu. Při malých vstupních signálech prochází LED malý proud, fotorezistor je málo osvětlen a jeho odpor Rf je mnohem větší než Ra. Zesílení obvodu pro signály vysokých kmitočtů je větší než 1 a tyto signály jsou na výstupu zesíleny. Naopak silné signály vysokých kmitočtů jsou na výstupu poněkud zeslabeny (Rf < Ra). Při reprodukci (obr. 2) pracuje obvod přesně obráceně. Slabé signály vysokých kmitočtů jsou zeslabeny, silné poněkud zesíleny. S potlačením signálů vysokých kmitočtů (nad 1 kHz) se zmenší i šum, který je v rozmezí kmitočtů 1 až 10 kHz nejvíce rušivý.

Povšimněte si připojení vstupu filtru. Zatímco při záznamu je filtr (a tím i obvod řídící odpor fotorezistoru) připojen na výstup obvodu, při reprodukci je připojen na vstup. Za předpokladu, že magnetofon má vyrovnanou kmitočtovou charakteristiku, zpracovává pomocný řídicí obvod shodný signál a funkce obvodu je přesně zrcadlová.

Obr. 3. Zapojení potlačovače šumu
Fig. 3. Noise reduction system

Celkové zapojení potlačovače šumu je na obr. 3. Funkce obvodu se v realizované konstrukci přepínají elektronickými spínači. Spínačem S2 se připínají paralelně k rezistorům R1 a R2 rezistory R3 a R4 – mění se tak odpor Rb a tím i rozsah potlačení šumu. Rozpojením spínače S1 se odpojí větev s fotorezistorem, R5, C1 a C2 (Rf, Ra a C) a obvod šum nepotlačuje. Signál prochází obvodem beze změny.

Výsledné potlačení šumu je obdobné jako u systémů Dolby B a Dolby C. Kmitočtové charakteristiky obvodu a časové konstanty náběhu a doběhu řídicí části jsou však mírně odlišné. Věnoval jsem velké úsilí návrhu popsaného systému ANRS, aby se systému Dolby co nejvíce podobal. Vzhledem k podstatně odlišnému principu zpracování signálu nebylo možné zajistit úplnou shodu. V systému Dolby B a C je signál zpracováván v pomocné signálové cestě a výsledný signál se sečte s původním signálem, u Dolby C dokonce dvakrát. V popsaném systému ANRS se upravují kmitočtové charakteristiky obvodu v závislosti na síle signálu. Jedná se vlastně o jakési signálem řízené „korekce”.

V režimu menšího potlačení šumu se obvod funkcí velmi blíží systému Dolby B. Jediný větší rozdíl je v chování systému při silných signálech. Zatímco systém Dolby B ponechává silné signály beze změny, popsaný systém je upravuje. Protože při záznamu silné signály vysokých kmitočtů mírně zeslabí, zmenšuje se možnost přebuzení pásku při záznamu. Proto si myslím, že jeho použití v magnetofonu je výhodnější než originálního systému. V praxi se ukázalo, že rozdíly mezi systémy jsou zanedbatelné. Kazety nahrané na magnetofonu s Dolby B lze bez problémů přehrávat s uvedeným systémem ANRS a naopak, aniž by bylo cokoli poznat. Mnohem větší roli zde hraje nastavení jednotlivých přístrojů. Ukázalo se, že rozdíly mezi magnetofony s originálním systémem Dolby B mohou být mnohem větší.

Zcela jiná je situace, zvolíme-li větší potlačení šumu. I když účinnost potlačení šumu je přibližně srovnatelná se systémem Dolby C, kmitočtové a časové charakteristiky jsou dosti odlišné.

Vraťme se k zapojení potlačovače šumu. Odlaďovač na vstupu (C3, L1) je naladěn na kmitočet oscilátoru magnetofonu. V praxi se nikdy úplně neubráníme tomu, aby signál oscilátoru pro mazání a předmagnetizaci částečně nepronikal do nízkofrekvenčních obvodů magnetofonu. Dostatečně silný vf signál na vstupu může způsobit špatnou funkci potlačovače šumu, případně jej při záznamu zcela zablokovat. Odlaďovač účinně potlačí signál z oscilátoru na vstupu ANRS. Aby jej bylo možné přesně doladit, použijeme cívku se šroubovacím jádrem.

Vlastní filtr řídicího obvodu je vlastně jen kondenzátor C5 a odpor trimru P1. Následuje lineární usměrňovač a převodník napětí-proud. Oba tyto obvody jsou v klasickém zapojení a byly již popsány v KE 3/96 (obr. 109 a 158).

Speciální optočlen je klíčovou součástkou zapojení. Protože jej nelze koupit, musíme jej vyrobit. Velmi záleží jak na svítivé diodě, tak na použitém fotorezistoru. Protože fotorezistory jsou nejcitlivější na červené světlo, zvolíme červenou LED. Svítivá dioda by měla být kvalitní, aby intenzita vyzářeného světla byla úměrná protékajícímu proudu v co největším rozsahu. Nekvalitní LED svítí při malých proudech méně, než by odpovídalo procházejímu proudu. Fotorezistory se vyrábějí různými technologiemi. Z produkce bývalé TESLA lze použít pouze typ WK 65065 (má tři vývody a po obvodu zelený proužek), ostatní typy mají příliš dlouhou dobu náběhu a doběhu. V současné době vyrábí fotorezistory TESLA Blatná, a. s. Podle katalogového listu tohoto podniku by pravděpodobně byly nejvhodnější fotorezistory označené M087240, resp. M087270, katalogový list bohužel neuvádí dynamické vlastnosti.

Obr. 4. Optočlen pro ANRS
Fig. 4. Optocoupler

Optočlen můžete sestavit podle obr. 4. Pro stereofonní magnetofon potřebujeme dva shodné optočleny. Optočleny vyrobíme o něco delší, abychom je posouváním LED v trubce mohli nastavit tak, aby při stejném proudu LED měly fotorezistory shodný odpor. Za tím účelem můžeme také kombinovat vývody fotorezistoru (u WK 65065). Tělem optočlenu je trubka, kterou vyrobíme svinutím kousku tenkého ocelového pocínovaného či mosazného plechu. Z boku jsou připájeny destičky z oboustranně plátovaného kuprextitu. Ze strany těla optočlenu je měď po celé straně destičky, jen v místě přívodů je stržena větším vrtákem, aby se vývody nemohly zkratovat. Z druhé strany destičky jsou dvě větší plošky, ke kterým je připájena LED a fotorezistor. K destičce připájíme nejdříve pouze fotorezistor. LED připojíme přes vhodný rezistor ke zdroji a nastavíme proud asi 5 mA. Posouváním LED proti fotorezistoru se snažíme se najít takovou vzdálenost, kdy má fotorezistor odpor asi 5 kiloohmů. Přesné nastavení není nutné, odchylka i několik desítek procent není na závadu. Odchylka mezi optočleny by však měla být do 20 %. Po zjištění vhodné vzdálenosti připájíme k destičce i LED.

Odpor fotorezistoru by měl být nepřímo úměrný proudu LED. Zmenšíme-li proud procházející LED na polovinu, měl by se odpor fotorezistoru zvětšit přibližně na dvojnásobek. Pokud se vám nepodaří optočlen nastavit, použijte LED s jinou svítivostí (větší nebo menší, podle potřeby), případně jiný fotorezistor.

Záměrně neuvádím desku s plošnými spoji. V původním zapojení jsem použil pro elektronické spínače dnes již těžko dostupné obvody MH2009A, které byly pro daný účel optimální. K ovládání spínačů bylo použito napájecí napětí OZ (±15 V). Z dnes běžně dostupných součástek jsou vhodné analogové spínače CMOS 4053, resp. 4066. Vzhledem k tomu, že jejich maximální napájecí napětí je 18 V, musí být napájeny ze zvláštního zdroje ±9 V. Odběr proudu je naštěstí nepatrný a tak může být zdroj realizovaný jednoduchým stabilizátorem se Zenerovými diodami. Pro spínače lze samozřejmě použít tranzistory MOS (např. BS108) nebo speciální analogové spínače. Toto řešení je však mnohem dražší. Můžeme použít i mechanické přepínače. U spínačů S1 a S2 to není problém, pro přepínání záznam-reprodukce však zpravidla není na přepínači dostatek volných kontaktů.

Obr. 5. Připojení potlačovače šumu do magnetofonu
Fig. 5. Connecting ANRS to recorder

Potlačovač šumu vyžaduje signál s úrovní 0,5 až 1 V pro plné vybuzení (0 dB). Předpokládá magnetofon, jehož zapojení odpovídá blokovému schématu na obr. 5 nebo obr. 2 zde. Do magnetofonu potlačovač šumu připojíme do vyznačeného místa mezi předzesilovač a záznamový zesilovač. V magnetofonech s jinou koncepcí je nutno postupovat individuálně.

Pokud má optočlen požadované vlastnosti, je nastavení snadné. Na vstup přivedeme signál o kmitočtu 10 kHz s úrovní -14 dB (100 až 200 mV, podle úrovně signálu při plném vybuzení). Trimrem nastavíme na výstupu stejnou amplitudu signálu. Při přepnutí záznam-reprodukce by se úroveň signálu neměla měnit o více než 10 až 20 % (1 až 2 dB). Změnou amplitudy vstupního signálu vyzkoušíme funkci kompandéru.

Zapojení vzniklo přibližně v roce 1984. Tehdy byly k dispozici pouze součástky TESLA či RVHP. Na místě OZ1 proto raději použijte dnes snadno dostupný NE5534 nebo TL071. Tyto obvody mají menší šum a větší rychlost přeběhu.

Literatura
[10] Straňák, P.; Jejkal, R.; Holec, T.: Širokopásmový kompandér. Amatérské radio řada A č. 12/88 s. 465.
[11] Zima, J.; Schőn, V.: Profesionální kompandér. Amatérské radio řada A č. 5/91 s. 169.

Jaroslav Belza

Potlačovač šumu byl otištěn v KE 3/97 na s. 87-88.

8. 5. 2001